Повреждения, вызванные прохождением электрического тока через подшипник, и их последствия
Через подшипники, установленные:
- • в буксовых узлах и тяговых электродвигателях (железнодорожный транспорт)
- в двигателях переменного и постоянного тока (приводная техника)
- генераторах (ветроэнергетические установки)
возможно прохождение электрического тока через подшипник. При неблагоприятных условиях это может привести к повреждению дорожки качения и тел качения, что, в свою очередь, ведет к выходу мотора или генератора из строя. Кроме ремонтных расходов возникают дополнительные затраты, вызванные простоем оборудования. Более экономично было бы еще на этапе проектирования предусмотреть использование токоизолирующих подшипников. Низкие затраты на обслуживание и бесперебойность работы позволяют добиться положительного экономического эффекта. Зачастую достаточно прервать электрическую цепь между корпусом и валом, то есть установить токоизолирующие подшипники в одной или в обеих опорах вала, в зависимости от конкретного случая применения. Токоизолирующие подшипники (с керамическим покрытием или в гибридном исполнении) в общем случае обладают существенно большим сопротивлением прохождению электрического тока, чем обычные подшипники.
Токоизолирующие подшипники как превентивная мера
Как правило, устранение причин, вызывающих электрическое напряжение в подшипнике, представляет собой трудную задачу. И все же можно избежать повреждения подшипника, если воспрепятствовать прохождению тока или существенно снизить его силу. Фирма FAG имеет для этого широкий ассортимент токоизолирующих подшипников в различных исполнениях. Какие именно детали подшипника необходимо изолировать, зависит от вида напряжения.
Индуцированное напряжение вдоль вала
Такой характер напряжения приводит к возникновению электрической цепи, проходящей через подшипник 1, корпус и подшипник 2. Причиной такого напряжения на валу часто является несимметричное распределение магнитного потока в двигателе, что особенно часто встречается в двигателях с малым количеством пар полюсов. В этом случае для разрыва электрической цепи достаточно изолировать только один подшипник из двух.
Напряжение между валом и корпусом
Токи через оба подшипника текут в одном направлении. Причиной этому прежде всего является синфазное напряжение преобразователя частоты. В таких случаях зачастую необходимо изолировать оба подшипника. Критерием выбора токоизоляции является временная характеристика приложенного напряжения. При постоянном и медленно изменяющемся переменном напряжении наблюдается омическое сопротивление, при высокочастотном переменном напряжении (которое присутствует при работе преобразователей частоты) – емкостное сопротивление подшипника. Токоизолирующий подшипник может быть представлен как звено электрической цепи из параллельно соединенного сопротивления и емкости. Для лучшей изоляции омическое сопротивление должно быть максимальным, а электрическая емкость – минимальной.
Типовые повреждения вследствие прохождения электрического тока через подшипник
Независимо от того, переменный (до частот в МГц-области) или постоянный ток проходил через подшипник, на поверхностях наблюдаются типовые повреждения: матовые и серые следы фиксированной ширины по всей дорожке качения и по поверхности тел качения. Этот признак не является специфическим и может быть вызван также и другими причинами (например, наличием абразивных частиц в масле). Так называемые рифления представляют собой периодические участки с канавками разной глубины, расположенные на дорожке качения. Как правило, их появление бывает вызвано исключительно электрическим током. Видно, что повреждения характеризуются микроплавлениями и гратами величиной в несколько микрометров, плотно покрывающими поверхности качения. Такая картина подтверждает тот факт, что причиной повреждений стал электрический ток. Впадины от микроплавлений и граты возникают при прохождении электрического разряда между пиками микронеровностей поверхностей дорожек качения и поверхностей тел качения. При достаточной толщине масляной пленки в узких местах проходит искра, при этом основания гратов кратковременно расплавляются. В области смешанного трения (металлический контакт) происходит микросваривание контактирующих поверхностей. Места микросварки сразу разрываются вследствие вращения подшипника. Кроме того, в обоих случаях материал вырывается из поверхности и затвердевает в виде капелек. Частично граты попадают в смазочный материал, частично собираются на поверхности металла. После продолжительной обкатки кратеры и наплавления выравниваются и сглаживаются. При продолжительном воздействии электрического тока контактирующие тонкие поверхностные слои с течением времени испытывают многократное переплавление. Причиной большинства случаев выхода подшипников из строя являются образованием рифлений на дорожках качения. Эти периодические поврежденные участки на дорожках качения и на роликах возникают из-за продолжительного прохождения электрического тока и колебательных свойств деталей подшипника.
Каждый микрократер достаточного размера при перекатывании через него вызывает радиальные перемещения тел качения. Параметры этих перемещений зависят от внутренней геометрии подшипника, частоты вращения и нагрузки. При возврате тела качения в исходное положение уменьшается толщина масляной пленки, так что в этой области увеличивается количество новых прохождений тока – начинается саморазвивающийся процесс. Спустя некоторое время вся поверхность дорожки качения кольца может покрыться рифлениями, которые приводят к увеличению уровня вибраций и в дальнейшем являются причиной выхода подшипника из строя. Оценочным критерием опасности, создаваемой прохождением электрического тока через подшипник, на практике служит расчетная плотность тока, то есть эффективная сила тока, распределенная по всей контактной поверхности тел качения с внутренним или наружным кольцом. Она зависит от типа подшипника и от рабочих условий. При плотности тока ниже приблизительно 0,1 Aeff /мм2, нет опасности образования рифлений. Если значение плотности тока равно или превышает 1 Aeff /мм2, вероятность появления характерных повреждений подшипника весьма высока.
Влияние на смазочный материал
Электрический ток оказывает негативное влияние также и на смазочный материал. Под действием тока основное масло и присадки окисляются и расщепляются, что хорошо прослеживается в инфракрасном спектре. Вследствие преждевременного старения и обогащения металлическими частицами смазывающие свойства ухудшаются, что может привести к выходу подшипника из строя вследствие перегрева. Перегрев подшипников, в частности в мототехнике, зачастую связан именно со смазкой, запчасти мототехники на pitmoto.ru/accessories. Преимущества подшипников FAG с токоизолирующим покрытием
- Внешние изолирующие свойства обеспечивают покрытия из оксида кремния (J20..). Такие покрытия наносятся на поверхности подшипника методом плазменного напыления
- За счет специальной герметизации покрытие J20AA сохраняет изолирующие свойства во влажной атмосфере. Керамический слой обладает очень высокой твердостью, износостойкостью и теплопроводностью.
- Габаритные размеры токоизолированных подшипников соответствуют DIN 616 (ISO 15). Таким образом токоизолированные подшипники взаимозаменяемы со стандартными подшипниками
- Для особых случаев применения, например при вращающемся наружном кольце, рекомендуется нанесение покрытия J20C на внутреннее кольцо
- Выпускаются радиальные шарикоподшипники начиная с размерной серии 62 в открытом исполнении, а также с одно- или двухсторонними встроенными уплотнениями. Эти подшипники позволяют использовать преимущество смазки на весь срок службы подшипника.
